JP3333236B2 - 光学式表面形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光走査を用いた表
面の面外及び面内形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密に加工された被測定物表面の面外高
さを１ｎｍ精度で測定すると共に、面内形状を１０ｎｍ
精度で測定するニーズが高まっている。表面粗さ等の面
外形状測定には光干渉を用いる方法が多く用いられてお
り、微小な高さ変化を高精度に測定するには光ヘテロダ
イン干渉法が有効である。これは周波数の異なる２つの
レーザ光を干渉させて差の周波数のビート信号を作成
し、ビート信号の位相変化を１／５００波長程度の分解
能で検出して表面の高さ方向の変化を測定する。この光
ヘテロダイン干渉法のなかでも、音響光学素子を２周波
数成分の電気信号で駆動して周波数の異なる２ビーム光
を発生させ、２ビーム光の間の位相変化を検出する差動
型法は本願発明者により、特公平３−４４２４３号公報
の“光ヘテロダイン干渉法による表面形状測定装置”に
詳細に述べられている。

【０００３】表面の面内形状測定には微小スポットに集
光したレーザ光を走査し、被測定物からの反射光強度変
化を検出する方法が多く用いられている。この中でもレ
ーザ走査型共焦点顕微鏡は通常の顕微鏡以上の面内分解
能が得られるものとして多くの分野で用いられている。
これは被測定物からの反射光をピンホール等を通して検
出（共焦点検出）するもので、ノイズとなる散乱光をカ
ットすることで面内分解能を高めることができる。ま
た、共焦点顕微鏡では被測定物に照射するスポット光の
焦点位置からの反射光強度が検出されるため、焦点方向
に変化する高さ変化の測定も可能である。このとき被測
定物をパルスステージ等で光軸方向に移動させ、各移動
位置毎に検出した反射光強度データを処理することによ
り、面内と面外の３次元形状を測定することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のレーザ走査型共
焦点顕微鏡は面内、面外形状を測定できるが、面外形状
を測定するためには被測定物を機械ステージで移動させ
る必要がある。さらには被測定物面上に照射するスポッ
ト光の焦点深度が比較的大きいために、面外形状測定の
分解能は０．１μｍ程度である。従ってレーザ走査型共
焦点顕微鏡では、１０ｎｍ程度の微小な面外形状の変化
の測定ができない。光ヘテロダイン干渉は数ｎｍ程度の
面外形状変化が測定できるが、逆に面内形状測定ができ
ない。このように数ｎｍ程度の面外形状変化を持つと共
にμｍ程度の面内形状変化のある被測定物の面内、面外
形状を高精度に同時測定する測定装置は無く、測定目的
に応じて別々の測定装置を用いていた。本発明は上記問
題点を解決し、一つの測定装置で面内、面外形状を測定
する新規な構成の測定装置を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、レーザ光源から放射されたレーザ光を第一の
ビームスプリッターを透過させて音響光学素子に入射
し、該音響光学素子から周波数の異なる２ビーム光から
なるプローブ光を発生させて走査し、第二のビームスプ
リッターで前記プローブ光を２つの方向に分離せしめ、
該第二のビームスピリッターで反射し一方の方向に進行
するプローブ光を第一の受光器で検出して参照光ビート
信号を作成し、前記第二のビームスプリッターを透過し
て進行するプローブ光を対物レンズで微小スポットに集
光して形状が測定される被測定物面上に照射して走査
し、該被測定物からの反射光の一部の強度を前記第二の
ビームスプリッターで反射させて第二の受光器で検出し
て反射光ビート信号を作成し、該反射光ビート信号と前
記参照光ビート信号の間の位相変化を位相比較器で検出
して前記被測定物の高さ方向の面外形状を演算する面外
形状演算部を設けると共に、前記第二のビームスプリッ
ターを透過した反射光を前記第一のビームスプリッター
で反射させ、反射光強度分布の一部の範囲の強度を第三
の受光器で検出して反射光強度信号を作成し、該反射光
強度信号の強度変化から前記被測定物の面内形状を演算
する面内形状演算部を設け、面外形状と面内形状を同時
に測定するものである。さらには、前記被測定物の面外
形状と面内形状を別個に測定する場合、面外形状を測定
する場合は前記音響光学素子から周波数の異なる２ビー
ム光を発生させ、第一と第二の受光器で検出した反射光
から面外形状を測定し、面内形状を測定する場合は前記
音響光学素子から単一周波数の単一ビームを発生させ、
第三の受光器で検出した反射光から面内形状を測定する
ものである。

【０００６】

【作用】音響光学素子を２周波数成分ｆａ±ｆｍの電気
信号で駆動すると、周波数が異なる２ビーム光が発生さ
れる。この２ビーム光の間のなす角度は周波数ｆｍで制
御され、ｆｍが大きいときは２ビームへの分離が大き
く、ｆｍが小さいときは実質的には１ビームの状態にな
る。従って面外形状の測定の場合は、２ビーム光の状態
に設定して、ヘテロダイン干渉により第一と第二の受光
器で検出された交流のビート信号の間の位相変化を検出
する。面内形状の測定の場合は、２ビーム光を用いて
も、１ビーム光を用いてもよく、第三の受光器で直流の
反射光強度信号を検出する。この強度検出はビーム走査
の定点位置であると共に、反射光をピンホール等を通し
て検出する共焦点検出であるため、測定の面内分解能が
高い。このようにして光ヘテロダイン干渉機能と共焦点
顕微鏡機能を一つの光学装置で実現する。

【０００７】面内形状測定に２ビーム光を用いるとき
は、第一、第二、第三の受光器のすべてで反射光信号を
検出し、面外、面内形状の同時測定が可能になる。この
とき各受光器は同一光学装置に設けられているため、面
外形状、面内形状は一つの光学装置で行うことができ
る。このとき、各種の偏光素子を設け、その偏光軸を調
整することにより３つの受光器に入射する反射光の強度
を最適の値に設定する。さらには、面内、面外形状を別
個に測定する場合は、測定の種類に応じて音響光学素子
から発せられるビームの形状を設定し、各受光器に入射
する反射光の強度を最大にし、測定に用いない受光器に
入射する反射光の強度が最小になるようにして、反射光
検出の効率を高めると共に反射光のＳ／Ｎ比を高める。

【０００８】

【実施例】以下図面により本発明の実施例を詳述する。
図１は本発明の構成を示すブロック図である。１０はレ
ーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザな
どから成り、直線偏光を有するレーザ光１００を放射す
る。１１は第一のビームスプリッター（以下第一のＢＳ
と略記する）で、偏光に依存する偏光ビームスプリッタ
ーの構成である。レーザ光１００の直線偏光軸の調整に
より、第一のＢＳでほとんど１００％のレーザ光を透過
させる。１２は音響光学素子（以下にＡＯと略記する）
で、周波数ｆｍを発する第一の信号源１１２と周波数ｆ
ａを発する第二の信号源１１４からの信号を入力とする
音響光学素子ドライバー（以下にＡＯドライバーと略記
する）１１０で駆動される。ここで周波数ｆｍはＡＯ１
２から発せられるビーム形状の制御を行い、周波数ｆａ
は該ビームの走査制御を行う。第一の信号源１１２から
発せられる信号の周波数ｆｍが低いときはＡＯ１２から
は実質的に１ビームの回折光が発せられ、周波数ｆｍが
高いときは２ビームに分離した回折光が発せられ、２ビ
ーム光は互いに周波数が異なる。

【０００９】ＡＯ１２で発せられた２ビーム光あるいは
１ビーム光のプローブ光は、１／２波長板１２５で偏光
軸を適当に変換され、第二のビームスプリッター１３
（以下に第二のＢＳと略記する）に入射する。この第二
のＢＳ１３は偏光に依存する偏光ビームスプリッターの
構成である。第二のＢＳ１３では入射するプローブ光の
一部の強度を反射させ、反射光を第一の受光器１４で検
出する。第二のＢＳ１３を透過したプローブ光は１／４
波長板１３５を透過し、対物レンズ１５で微小スポット
に集光され、面外、面内形状が測定される被測定物１６
に照射されてその面上を走査する。被測定物１６で反射
したプローブ光はもとの光路を逆進し、第二のＢＳ１３
でその一部の強度が反射されて第二の受光器１７で検出
される。このとき１／４波長板１３５により偏光軸の調
整を行い、プローブ光の一部の強度が反射されるように
する。

【００１０】この第一の受光器１４、第二の受光器１７
で検出される反射光信号は、２ビーム光の間の周波数差
である２ｆｍの周波数を持つビート信号である。第一の
受光器１４からは参照光ビート信号１４５、第二の受光
器１７からは反射光ビート信号１７５が発せられる。１
８は位相比較器で、参照光ビート信号１４５と反射光ビ
ート信号１７５の位相差を検出する。この検出は光ヘテ
ロダイン干渉である。参照光ビート信号１４５の位相は
一定、反射光ビート信号１７５の位相は被測定物１６に
照射される２ビーム光の間の光路差に応じて変化するた
め、位相比較器１８による位相差検出で反射光ビート信
号１７５の位相変化が検出される。１９は面外形状演算
部で、位相比較器１８からの位相データを演算して被測
定物１６の面外形状を変化する。

【００１１】第二のＢＳ１３を透過した一部の強度を持
つプローブ光は１／２波長板１２５とＡＯ１２を逆進
し、第一のＢＳ１１でほとんど全部が反射されるように
する。２０はピンホール、２１は第三の受光器で、ピン
ホール２０を第三の受光器２１の面上に直接に張り付け
た構成とする。この構成の受光器により、反射光の強度
分布における中央部を含む一部の範囲の反射光強度を検
出する。従って共焦点検出を行う。さらにこの受光位置
はプローブ光走査の定点位置である。従ってプローブ光
が被測定物１６の面上のどの位置を走査していても、反
射光はピンホール２０を通して第三の受光器２１の一定
位置で検出される。２２は面内形状演算部で、第三の受
光器２１で検出された直流成分の反射光強度データの変
化を演算して被測定物１６のエッジ位置などを検出して
面内形状を測定する。

【００１２】被測定物１６の面内、面外形状を同時に測
定するときは、ＡＯ１２から周波数の異なる２ビーム光
を発生させ、３つの受光器１４、１７、２１のすべてで
反射光が検出できるように各種の偏光素子の偏光軸の調
整を行う。面外形状だけを単独に測定するときは、１／
２波長板１２５、１／４波長板１３５の偏光軸を調整す
ることにより、第一の受光器１４及び第二の受光器１７
だけに反射光が入射されるようにする。また、面内形状
だけを測定する場合は、逆に第三の受光器２１に最大の
反射光が入射されるようにする。なお、図に示した偏光
素子以外の偏光板などの偏光素子を設けて偏光分離の調
整を行う構成にすることもできる。

【００１３】図２に面外、面内形状を同時に行うときの
被測定物１６の形状例を示す。被測定物１６は反射率Ｒ
ｓを持つ基材部２５と、反射率Ｒｍを持つ寸法部２６か
らなり、寸法部２６と基材部２５の間は凸状に０．１μ
ｍ程度の段差ｈがある。この被測定物面上を微小スポッ
トに集光された２ビーム光２７、２８が走査される。２
ビーム光２７、２８のピーク強度間距離は第一の信号源
１１２から発せられる周波数ｆｍの交流信号で制御さ
れ、ピーク強度間距離を個々のビームのビーム直径程度
の距離に設定する。さらに第二の信号源１１４から発せ
られる周波数ｆａを変化させて２ビーム光２７、２８を
走査する。

【００１４】図３に検出される信号波形例を示す。図３
（１）に示した波形３１は第二の受光器１７で検出され
た反射光の位相変化の波形である。本構成による光ヘテ
ロダイン干渉では２ビーム光２７、２８の間の光路差を
検出する差動型の検出であるため、検出された位相は被
測定物１６の表面の微分を表すことになる。レーザ光源
がＨｅ−Ｎｅレーザであるとき、位相の１度は０．８８
ｎｍの光路差である。従って基材部２５と寸法部２６の
エッジ位置である段差発生部では位相が段差に応じて変
化する。基材部２５及び寸法部２６の面上での位相変化
はその面上での表面粗さを表す。ここで、位相の正符号
は２ビーム光２７、２８の間の面が凸、位相の負符号は
同じく面が凹の状態である。このようにして得られた位
相データを面外形状演算部１９で積分処理すると表面ト
ポグラフィーが測定できる。

【００１５】図３（２）に示す波形３２は同じく２ビー
ム光２７、２８を走査したとき、第三の受光器２１で検
出される反射光強度パターン信号である。各部材の表面
反射率はＲｍ＞Ｒｓである。波形３２は強度の中央部３
２２、３２４で強度変化が変調されている。図３（３）
に示す波形３３は反射光強度パターン信号３２の差分強
度波形である。２つの立ち上がりピーク３３０、３３１
の間のピーク３３２、及び２つの立ち下がりピーク３３
５、３３６の間のピーク３３７の位置を検出する。この
ピーク位置３３２、３３７は２ビーム光の強度分布にお
ける中央部が基材部２５と寸法部２６のエッジ位置に照
射されている状態である。面内形状演算部２２において
このエッジ位置を検出する。このエッジ位置の間での２
ビーム光の走査量から寸法が測定でき、エッジ位置の変
化から形状が測定できる。

【００１６】面外形状、面内形状を個別に測定する場合
は、図３で説明した２ビーム光走査を用いてもよいが、
特に面内形状測定では１ビーム光の走査を行ってもよ
い。図４に１ビーム走査を行ったときのエッジ検出例を
示す。被測定物は図２に示したものと同一である。図４
（１）の波形４１は反射光強度信号である。波形の立ち
上がり部４１０、立ち下がり部４１５は単調増加、単調
減少する。図４（２）の波形４２は波形４１に差分処理
を行った差分強度信号波形である。２つのピーク強度位
置４２０、４２５を検出する。このピーク強度位置は反
射光強度変化率が最大となる位置で、照射ビームのピー
ク強度位置がエッジ部に照射された状態である。

【００１７】図５に本発明による表面形状測定装置の光
学系の具体的構成例を示す。レーザ光源１０から放射さ
れたレーザ光は第一のＢＳ１１を透過し、シリンドリカ
ルレンズ５０と凸レンズ５１の組合せで紙面に平行な面
内に広がりを持つシートビームに変換されてＡＯ１２に
照射される。ＡＯ１２からは前述のごとく周波数ｆｍに
応じたプローブ光が発生する。ＡＯ１２を出射したプロ
ーブ光は１／２波長板１２５、凸レンズ５２、シリンド
リカルレンズ５３を経て再び円形ビームに変換される。
発散光として進行するプローブ光は第二のＢＳ１３で２
方向に分割される。反射した一部の強度を持つ光は凸レ
ンズ５４で集光され、第一の受光器１４で検出される。
透過光は凸レンズ５５でコリメートされ、１／４波長板
１３５を経て対物レンズ１５で集光されて被測定物１６
に照射されると共に面上を走査する。被測定物１６から
の反射光は第二のＢＳで一部の強度が反射され受光器１
７で検出される。第二のＢＳ１３を透過した反射光は第
一のＢＳ１１で反射し、凸レンズ５６で集光されてピン
ホールが取り付けられた第三の受光器２１で検出され
る。以上の構成の光学系で前述した面内、面外形状の同
時測定が可能になる。

【００１８】

【発明の効果】上記のごとく本発明は同一の光学装置内
に、光ヘテロダイン干渉機能と共焦点走査顕微鏡機能を
設けたことで、面外形状を１ｎｍ精度、面内形状を１０
ｎｍ精度で同時に測定できる。音響光学素子から発せら
れる２ビーム光はその強度分布が自由に制御できるた
め、測定目的に応じて２ビーム光の状態を設定でき、幅
広い測定が可能になる。反射光強度信号のデータ処理は
簡単な処理でよいため、簡素な構成の演算処理部でリア
ルタイム的な測定が可能である。また物体面に照射する
２ビーム光は互いにほぼ同一の光路をたどるため、外乱
の影響を受けにくく安定した測定が可能で、生産ライン
でのインライン計測に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成と動作を説明するブロック図であ
る。

【図２】被測定物の例を示す図である。

【図３】２ビーム光の走査を行ったときの、反射光の位
相検出による面外形状測定と、強度検出による面内形状
測定を同時に行うときの検出信号の波形図である。

【図４】１ビーム光の走査を行ったときの、面内形状測
定を行うときに検出される反射光強度信号とその差分処
理を行うときの信号波形図である。

【図５】光学系の構成の一実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０ レーザ光源 １１ 第一のビームスプリッター １２ 音響光学素子 １３ 第二のビームスプリッター １８ 位相比較器 １９ 面外形状演算部 ２０ ピンホール ２２ 面内形状演算部 ２５ 基材部 ２６ 寸法部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源から放射されたレーザ光を第
   一のビームスプリッターを透過させて音響光学素子に入
   射し、該音響光学素子から周波数の異なる２ビーム光か
   らなるプローブ光を発生させて走査させ、第二のビーム
   スプリッターで前記プローブ光を２つの方向に分離せし
   め、該第二のビームスプリッターで反射し一方の方向に
   進行するプローブ光を第一の受光器で検出して参照光ビ
   ート信号を作成し、前記第二のビームスプリッターを透
   過して進行するプローブ光を対物レンズで微小スポット
   に集光して形状が測定される被測定物面上に照射して走
   査し、該被測定物からの反射光の一部の強度を前記第二
   のビームスプリッターで反射させて第二の受光器で検出
   して反射光ビート信号を作成し、該反射光ビート信号と
   前記参照光ビート信号の間の位相変化を位相比較器で検
   出する光学式表面形状測定装置において、前記被測定物
   の高さ方向の面外形状を演算する面外形状演算部を設け
   ると共に、前記第二のビームスプリッターを透過した反
   射光を前記第一のビームスプリッターで反射させ、反射
   光強度分布の一部の範囲の強度を第三の受光器で検出し
   て反射光強度信号を作成し、該反射光強度信号の強度変
   化から前記被測定物の面内形状を演算する面内形状演算
   部を設け、面外形状と面内形状を同時に測定することを
   特徴とする光学式表面形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記被測定物の面外形状と面内形状を別
   個に測定する場合で、面外形状を測定する場合は前記音
   響光学素子から周波数の異なる２ビーム光を発生させ、
   前記第一の受光器と前記第二の受光器で検出した反射光
   から面外形状を測定し、面内形状を測定する場合は前記
   音響光学素子から単一周波数の単一ビームを発生させ、
   前記第三の受光器で検出した反射光から面内形状を測定
   することを特徴とする請求項１に記載の光学式表面形状
   測定装置。